计算机辅助设计与工程基础

这些精益原则和概念适用于你所从事的任何类型的业务。你不能偏离精益原则，但你必须让它对你和你所做的事情具体化。生产力是一种平衡行为。一旦您删除了大部分不必要的非增值活动，您将会对您在质量、准时交付、提前期和吞吐量方面的收获感到惊讶。以可理解的形式显示结果。但一个人不能再“搞工程”了,不用最新最强大的工具——电脑。

计算机辅助设计(CAD)

随着设计的进展，在最初阶段制作的粗糙的手绘草图将被用传统制图设备或越来越普遍的使用计算机辅助设计或计算机辅助制图软件制作的正式图纸所取代。如果这两个术语之间的区别(它们都使用缩写CAD)曾经很明显(这里将避免讨论这个主题)，那么随着更复杂的CAD软件的出现，这种区别正在消失。上一代的原始CAD系统本质上是绘图工具，它允许创建计算机生成的多视图绘图，类似于几个世纪前在绘图板上手工绘制的绘图。存储在这些早期CAD系统中的数据是零件真正三维几何形状的正射影的严格的二维表示。在数据库中只定义了零件的边缘。这被称为线框模型。一些3-D CAD软件包也使用线框表示。

当前版本的大多数CAD软件包允许(有时要求)将零件的几何形状编码为三维数据库中的实体模型。在实体模型中，定义了零件的边缘和面。根据这些三维信息，如果需要，可以自动生成传统的二维正射影视图。为任何设计创建三维实体模型几何数据库的主要优点是可以快速计算其质量属性信息。(这在二维或三维线框模型中是不可能的。)例如，在设计机器零件时，我们需要确定其重心(CG)的位置、质量、质量转动惯量以及在各个位置的横截面几何形状。从2-D模型中确定这些信息必须在CAD包之外完成。这样做很繁琐，而且只有在几何很复杂的情况下才能近似。但是，如果零件是在实体建模CAD系统(如ProEngineerI7] NX，[4]或许多其他系统之一)中设计的，则可以计算最复杂的零件几何形状的质量特性。

实体建模系统通常为一个或多个有限元分析(FEA)程序提供接口，并允许将模型的几何形状直接传递到FEA软件包中，以进行应力、振动和传热分析。一些CAD系统包括网格生成功能，在将数据发送到有限元分析软件之前自动创建有限元网格。这些工具的组合提供了一种非常强大的手段，可以获得比传统分析技术更准确地了解应力的优越设计，当几何形状复杂时。虽然阅读本教材的学生很可能会在专业实践中使用CAD工具，包括有限元或边界元素分析(BEA)方法，但仍然有必要彻底了解应用应力分析的基础知识。这就是本文的目的。有限元分析技术将在第4章和第8章讨论，但在本文中不会强调。相反，我们将专注于经典的应力分析技术，以便为彻底理解基本原理及其在机器设计中的应用奠定基础。

FEA和BEA方法正迅速成为解决复杂应力分析问题的首选方法。然而，如果没有对这些技术背后的理论有扎实的理解，那么使用这些技术是有危险的。这些方法总是会给出一些结果。不幸的是，这些结果可能是不正确的，如果问题没有很好地表述和网格与适当的边界条件应用。能够从计算机辅助解决方案中识别出错误的结果对于任何设计的成功都是极其重要的。第8章简要介绍了有限元分析。学生应该学习FEA和BEA课程来熟悉这些工具。图1-2显示了在CAD软件包中创建的图1-1中球体支架的实体模型。右上角的阴影等距视图显示该部件的实体体积已被定义。其他三个视图显示了该部分的正交投影。软件计算得到的质量属性数据如图1-3所示。图1-4显示了由实体几何数据库生成的同一部件的线框渲染图。线框版本主要用于在处理模型时加快屏幕绘制时间。与图1-2的实体渲染相比，需要计算的线框显示信息要少得多。

图1-5显示了在CAD软件包中生成的球支架的全尺寸、正射影、多视图图。创建零件实体模型的另一个主要优点是，制造所需的尺寸和刀具轨迹信息可以在CAD系统中生成，并通过网络发送到制造车间的计算机控制机器上。该功能允许生产零件而不需要纸质图纸，如图1-5所示。图1-6为CAD软件对同一零件进行有限元网格处理后，再将其发送给FEA软件进行应力分析。

计算机辅助工程(CAE)上述通常称为CAD的技术是计算机辅助工程(CAE)更一般主题的子集，该术语意味着要处理的不仅仅是零件的几何形状。然而，随着更复杂的软件包的出现，CAD和CAE之间的区别继续变得模糊。事实上，在前一节中描述的使用实体建模CAD系统和FEA软件包的描述是CAE的一个例子。当一些力的分析，

应力、挠度或设计物理行为的其他方面都包括在内;不管有没有立体几何方面，这个过程都被称为CAE。许多商业软件包完成CAE的一个或多个方面。FEA和BEA软件包前面提到的都属于这一类。机构的动态力模拟可以用ADAMS这样的软件包来完成[5]和工作模型。[6]一些软件包，如ProEngineer，[7] Solidworks，［１２］NX，[4]等将CAD系统的各个方面与一般分析能力相结合。

这些基于约束的程序允许约束应用到设计中，当设计参数变化时，约束可以控制零件的几何形状。CAE的其他类工具是方程求解器，如MATLAB[11]， Mathcad，[9] TK Solver，[8]和电子表格，如Excel[10]。这些都是通用的工具，允许以方便的形式对任何方程组合进行编码，然后为不同的试验数据操作方程集(即工程模型)，并方便地显示表格和图形输出。方程求解器对于解决机械设计问题中的力、应力和挠度方程是非常宝贵的，因为它们允许进行快速的“假设”计算。尺寸或材料变化对零件的应力和挠度的影响可以立即看到。缺席时

对于一个真正的实体建模系统，方程求解器也可以用来近似在迭代试验件的几何和材料特性时，零件的质量特性设计。因此，对可接受的解决方案的快速迭代得到了增强.

随附文本的网站(见前言的信息如何访问这个)包含了大量的各种方程求解器的模型，支持在文本中提出的例子和案例研究。在本书的网站上以PDF文件的形式提供了TK求解器和Mathcad的使用介绍以及它们的使用示例。此外，本书的网站上还提供了一些定制编写的计算机程序，如Mohr、Contact、linkage、dynamam和Matrix，以帮助在解决指定的开放式设计问题时计算动态载荷和应力。然而，人们必须意识到，这些计算机工具只是工具，并不能代替人脑。如果对用户的工程基础没有透彻的了解，计算机将不会给出好的结果。垃圾进，垃圾出。

计算精度

计算机和计算器使得到有许多有效数字的数值答案变得非常容易。在写下所有这些数字之前，我们建议你回想一下你最初的假设和给出的数据的准确性。例如，如果所施加的载荷只有两个有效数字，那么将计算出的应力表示为比输入数据拥有的更有效的数字是不正确和误导的。但是，在您的计算工具中使所有中间计算达到最大的精度是有效和适当的。这将最小化计算舍入误差。但是，完成后，将结果四舍五入到与已知或假设数据一致的水平。